生物陶瓷材料的分类

惰性生物陶瓷材料 生物惰性陶瓷主要是指化学性能稳定 生物相容性好的陶瓷材 料 这类陶瓷材料的结构都比较稳定 分子中的键力较强 而且都 具有较高的机械强度 耐磨性以及化学稳定性 主要由氧化物陶瓷 非氧化物陶瓷以及陶材组成 其中 以 Al Mg Ti Zr 的氧化物 应用最为广泛 早在 1969 年 Talbert 2 就将不同孔隙率的颗粒状 Al2O3 陶 瓷作为永久性可移植骨假体 植入成年杂种狗的股骨中进行实验 发现多晶氧化铝陶瓷对包括生物环境在内的任何环境都呈现惰性及 其优越的耐磨损性和高的抗压强度 使氧化铝陶瓷材料成为最早获 得临床应用的生物惰性陶瓷材料 目前氧化铝陶瓷材料已经应用于 人造骨 人工关节及人造齿根的制作方面 氧化铝陶瓷植入人体后 体内软组织在其表面生成极薄的纤维 组织包膜 在体内可见纤维细胞增生 界面无化学反应 多用于全 臀复位修复术及股骨和髋骨部连接 3 单晶氧化铝陶瓷的机械性能 更优于多晶氧化铝 适用于负重大 耐磨要求高的部位 但是由于 Al2O3 属脆性材料 冲击韧性较低 且弹性模量和人骨相差较大 可能引起骨组织的应力 从而引起骨组织的萎缩和关节松动 在使 用过程中 常出现脆性破坏和骨损伤 且不能直接与骨结合 目前 国外有关学者通过各种方法 使 Al2O3 陶瓷在韧性和 相容性方面取得了显著提高 4 如在陶瓷表面涂上骨亲和性高的陶 瓷 特别是能和骨发生化学结合的磷灰石 已经制造出更加先进的 人工关节 通过相变或微裂等方法 使材料内部产生微裂纹 只要 微裂纹的尺寸足够小 则均匀分布的微裂纹会起到应力分散的作用 也可以提高材料的韧性 5 近年 氧化锆陶瓷由于其优良的力学性能 尤其是其远高于氧 化铝瓷的断裂韧性 使其作为增强增韧第二相材料在人体硬组织修 复体方面取得了较大研究的进展 Hench 6 报道 部分稳定氧化锆 陶瓷的抗弯强度可达 100 MPa 断裂韧性可达 15MPa m 1 2 但惰性生物陶瓷在体内被纤维组织包裹或与骨组织之间形成纤 维组织界面的特性影响了该材料在骨缺损修复中的应用 因为骨与 材料之间存在纤维组织界面 阻碍了材料与骨的结合 也影响材料 的骨传导性 长期滞留体内产生结构上的缺陷 使骨组织产生力学 上的薄弱 2 生物活性陶瓷材料 生物活性陶瓷包括表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷 又叫 生物降解陶瓷 生物表面活性陶瓷通常含有羟基 还可做成多孔性 生物组织可长入并同其表面发生牢固的键合 生物吸收性陶瓷的特 点是能部分吸收或者全部吸收 在生物体内能诱发新生骨的生长 生物活性陶瓷有生物活性玻璃 磷酸钙系 羟基磷灰石陶瓷 磷酸 三钙陶瓷等几种 2 1 羟基磷灰石陶瓷 羟基磷灰石 hydroxyapatite 简称 HAp 化学式为 Ca10 PO4 6 OH 2 属表面活性材料 由于生物体硬组织 牙齿 骨 的主要成分是羟基磷灰石 因此有人也把羟基磷灰石陶瓷称之为人 工骨 具有生物活性和生物相容性好 无毒 无排斥反应 不致癌 可降解 可与骨直接结合等特点 是一种临床应用价值很高的生物 活性陶瓷材料 引起了广泛的关注 为提高羟基磷灰石的力学性能 人们开展了致密 HAP 陶瓷的 研究 研究得到的致密 HAp 机械性能得到了一定的提高 但表面显 气孔率较小 植入人体内后 只能在表面形成骨质 缺乏诱导骨形 成的能力 仅可作为骨形成的支架 7 因此 近年来 人们又将研 究重点放在了多孔羟基磷灰石陶瓷方面 研究发现 多孔钙磷种植 体模仿了骨基质的结构 具有骨诱导性 它能为新生骨组织的长入 提供支架和通道 因此植入体内后其组织响应较致密陶瓷有很大改 善 但羟基磷灰石的主要缺点在于本身的力学性能较差 强度低 脆性大 这一缺点影响了它在医学临床的广泛应用 同时也促使人 们研究 HAp 系列的各种复合材料 以期获得力学性能优良 生物活 性好的生物医学复合材料 1 羟基磷灰石与金属相结合 利用等离子喷涂和化学气相沉积等各种技术 使羟基磷灰石陶 瓷与金属基复合 得到既具有金属的强度和韧性 又具有生物活性 的复合材料 Hsieh 等人 8 在 Ti 合金表面涂覆多层凝胶 经烧结 得到表面多孔 HAp 涂层 结果表明多孔 HAp 涂层与多孔 HAp 陶瓷 相似 可提供骨细胞生长的空间 并能起到支架的作用 使骨与植 体通过化学结合和机械互锁而固定 在国外 钛合金等离子喷涂羟 基磷灰石复合材料已被用于制备人工关节 2 羟基磷灰石与惰性生物陶瓷材料相复合 在羟基磷灰石中掺入生物惰性陶瓷材料 如氧化铝 氧化锆等 或生物玻璃粉体后 在烧结体中形成一定量的 磷灰石和微量 磷灰石可提高材料的强度 并且在耐磨性 抗生理腐蚀性和生 物相容性方面不会损失 但是 Cales 等人 9 提出 虽然生物惰性 材料含量的提高可大幅度提高材料的强度和韧性 但同时也会导致 材料的生物活性降低 因此应根据使用要求 设计复合陶瓷的成分 及生成工艺条件 3 羟基磷灰石与有机物相复合 将 HAp 粉末或纤维填充于高聚物基体中 既可提高聚合物复 合材料的刚性和韧性 又能够提高其生物活性 加快新生骨的生长 常用的高聚合物有聚乳酸 壳聚糖 胶原蛋白等 同时人体骨骼本 身含有有机和无机质两部分 有机部分的主要成分是骨胶原纤维和 骨蛋白 它使骨骼具有柔韧性 而无机部分主要是羟基磷灰石 这 使骨骼有一定的强度 从仿生学角度讲 人工合成材料若按自然骨 组成设计是最理想的 所以目前有些研究者着手将羟基磷灰石与自 体骨 骨形成蛋白 骨胶原等有机物分别进行复合 以期达到预想 的效果 2 2 磷酸三钙陶瓷材料 目前广泛应用的生物降解陶瓷为 磷酸三钙 简称 TCP 是磷酸钙的一种高温相 与 HAp 相比 TCP 最大的优点在于更易于 在体内溶解 其溶解度约比 HAp 高 10 20 倍 植入机体后与骨直接 融合而被骨组织吸收 是一种骨的重建材料 可根据不同部位骨性 质的不同及降解速率的要求 制成具有一定形状和大小的中空